過街安全警示系統的研究

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1弱勢交通參與者過街現狀分析

從慢行交通與機動車交通流線疏解看，過街設施主要有三種形式，渠化島、信號燈和立體過街。渠化島和信號燈是平面疏解，其中渠化島在空間上分配路權，信號燈在渠化的基礎上限制了時間上的路權分配，能夠實現較大程度的人車分離。立體過街借助物理隔離設施完全實現了人車流線的時空分離，但過街時間長、建設成本高[11]。過街設施具有引導行人及非機動車安全過街和提醒來往機動車輛注意行人的作用[12]，但在過街途中弱勢交通參與者始終處于劣勢，更容易受到傷害。觀察發現行人過街常有違章現象，如闖紅燈，在紅燈沒有完全結束時搶行，在過街途中會因超越、躲避和疏忽、玩手機等原因走出人行橫道安全區域，DALIBOR[13]和HATFIELD[14]通過調查發現，過街時使用手機的行人速度更慢，對周邊危險的防范更低，會表現出很多不安全行為。非機動車也會因人行橫道上行人過多而選擇人行橫道以外區域行駛；在立體過街時為節省時間、逃避上下樓梯而選擇違章橫穿機動車道的現象。分析認為過街設施為弱勢交通參與者提供了人車分離的物質基礎，但無法給予弱勢交通參與者過街提醒以及過街途中違章警示等智慧化誘導服務，不能有效避免闖紅燈[15]和過街途中走出過街設施安全區域的問題，導致交通事故發生。Suh等[16]發現，夜間不良的照明條件會使機動車駕駛員產生車輛行駛速度不快的錯覺，誘發駕駛員提高車速甚至超速。有研究表明，在能見度比較低的環境中交通事故發生率更高[17]。綜合分析認為，在當前過街設施環境下，弱勢交通參與者能否安全過街取決于弱勢交通參與者過街時是否能夠高度遵守交通規則，以及機動車駕駛員的安全駕駛。避免弱勢交通參與者違章過街，降低過街危險，可以通過人為干預保障安全，但費時費力。為此，急需研發設置智慧過街安全警示系統取代人為干預。

2弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統所需的功能分析

智慧過街安全警示系統，實時監視弱勢交通參與者過街行為，識別闖紅燈等違規行為并及時響應、警示弱勢交通參與者安全過街，提醒機動車駕駛員注意行人，儲備收集交通大數據，為智慧交通的建設做貢獻，弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統需要具備以下功能：（1）闖紅燈警告。對于闖紅燈行為，智慧過街安全警示系統需要具備闖紅燈警告功能，結合道路信號燈，利用一些設備警告闖紅燈的弱勢交通參與者，及提醒其返回行人等候區。（2）綠燈提醒。對弱勢交通參與者等待綠燈亮起時不能及時過街問題，需要通過聽覺和視覺兩方面提醒等紅燈的弱勢交通參與者及時過街，避免綠燈時間浪費，而延長等待時間。（3）過街途中警告。及時提醒并制止過街途中弱勢交通參與者在過街設施安全區域外的通行行為，如超出人行橫道、不使用立體設施、違規進入機動車道等。（4）實時監控。對道路交叉口的弱勢交通參與者實時監控，系統的實時監控功能有利于交通管理部門對交叉口信息實時掌握。（5）機動車輛警示。警示機動車即將到達行人過街設施，且前方此時正處于行人的綠燈時間。（6）其他功能。采用視頻技術，監控到達交叉口處機動車；交通信息數據采集，通過視頻技術采集交叉口處的交通信息，利用5G技術傳輸相關數據，以供交通部門利用。

3弱勢交通參與者過街行為特性和模型

3.1弱勢交通參與者過街行為特性

弱勢交通參與者過街行為主要受到環境和心理影響，環境包括信號相位、周圍行人狀態和人行橫道等，心理即個人主觀意愿的體現。弱勢交通參與者過街行為特性主要為躲避行為特性和超越行為特性。躲避行為特性是弱勢交通參與者在遇到對向或同向弱勢交通參與者侵入到前進區域而產生躲避的行為。超越行為特性是弱勢交通參與者在同向弱勢交通參與者速度較慢情況下改變前進軌跡的行為。弱勢交通參與者過街躲避行為特性和超越行為特性是弱勢交通參與者不按規定行走人行橫道而選擇在過街設施安全區域外行走的重要原因。

3.2社會力模型

現有對弱勢交通參與者微觀仿真的模型主要分為離散型和連續型，其中離散型仿真較常用元胞自動機模型，但其對弱勢交通參與者交通行為的細節描述不詳細；連續型仿真模型使用典型的是社會力模型，可以體現行人的主觀意愿及反應行人與環境的交互性。所以，本文選擇社會力模型對過街的弱勢交通參與者進行模擬仿真。社會力模型基本形式為：fi()t=midvi()tdt=miai()t其中：fi()t表示t時刻弱勢交通參與者i受到的所有力的合力；mi表示弱勢交通參與者i的質量；vi()t表示t時刻弱勢交通參與者i的實際速度；ai()t表示t時刻弱勢交通參與者i的加速度。

3.2.1社會力模型的改進

弱勢交通參與者過街時的躲避、超越、違規等行為，除了自身心理生理因素外，主要受到聲音、燈光以及商店、廣告牌、花草等周邊環境的影響，過街等待時信號燈的影響最大，起決定性的作用；過街途中視覺、聽覺刺激能顯著吸引弱勢交通參與者的注意力，如電子顯示屏和發光標志道釘等燈光設施，近距離的語音播報、汽車鳴笛、行人談笑等聲音對弱勢交通參與者能夠產生較大的刺激。商店等道路周邊環境的影響因距離較遠相對較小，可以忽略不計。綜合考慮弱勢交通參與者自身及與行人、障礙物、燈光、聲音之間的相互作用力等得到社會力矢量模型：fi()t=fi0()t+j≠()iΣfij()t+ωΣfiω()t+lΣfil()t+vΣfiv()t+ζi()t（2）其中：fi0()t表示自驅動力，指向弱勢交通參與者的目的點；fij()t表示相互作用力，t時刻弱勢交通參與者i受到的來自弱勢交通參與者j的作用力；fiω()t表示障礙物作用力，t時刻行人i受到的來自障礙物ω的作用力；fil()t表示燈光作用力，t時刻弱勢交通參與者i受到的來自燈光視覺的吸引力（顯示屏、發光標志道釘等）；fiv()t表示聲音作用力，t時刻弱勢交通參與者i受到的來自語音播報器的吸引力；ζi()t表示隨機波動項，在模型中代表不確定的弱勢交通參與者行為。

3.2.2社會力模型分析

自驅動力是主要決定弱勢交通參與者狀態的力，體現了弱勢交通參與者高度遵守交通規則的意識。相互作用力一方面考慮行人在私人空間中會存在一種與周圍行人保持距離的心理存在的排斥力；另一方面當過街行人密度過大時，行人間因身體接觸而存在吸引力，所以弱勢交通參與者間的相互作用力由排斥力和吸引力決定。同樣，弱勢交通參與者和障礙物間也會保持距離，相互間存在排斥力。燈光作用力由燈光強度、體積、距離等決定。聲音作用力由聲音強度、距離決定。各個作用力的合力即社會力決定了弱勢交通參與者的過街行為。分析認為弱勢交通參與者間躲避、超越、違規等行為產生的相互作用力為排斥力，是弱勢交通參與者在人行橫道安全區域外前行的重要原因。根據社會力矢量模型可以通過燈光和聲音作用力綜合校正社會力。燈光作用力和聲音作用力增加，可以增大社會力，如增加信號燈、顯示屏和發光標志道釘等燈光設施，其中發光標志道釘不僅產生燈光作用力提醒，還因安裝使路面不平同時產生障礙物作用力避免行人走出安全區域，配合語音播報器等音響設施提醒行人規范過街，保障安全過街。社會力矢量的值與顯示屏、發光標志道釘和語音播報器的設備大小、安裝位置等因素有關。因此弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統的合理組成，配置可靠的設施設備并選擇正確位置安裝、設置有利于提高系統的功能發揮。

4弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統框架設計

弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統在現有過街設施基礎上，充分考慮建立的社會力矢量模型，為使社會力矢量模型更為充分地說明弱勢交通參與者過街行為特性，配置智慧過街安全警示設施設備，通過視頻檢測過街的弱勢交通參與者，識別違章行為，觸發語音播報器、顯示屏、發光標志道釘，以此警示弱勢交通參與者遵守交通規則，躲避、超越、疏忽時確保安全。弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統包括：中心控制系統、信息檢測系統、信息傳遞系統、地面警示系統、語音播報系統、能源供應、視覺顯示系統。系統框架如圖1所示。（1）中心控制系統。中心控制系統是整個弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統的神經中樞，其主要功能是對收集到的信息進行處理分析，然后向各個子系統下達命令，存儲數據，傳遞數據。（2）信息檢測系統。在人行橫道等候區設置警示立柱，其上安裝視頻檢測器，實時監控道路交叉口弱勢交通參與者和機動車。視頻檢測器采用全方位半球攝像頭，拍攝范圍廣，監控范圍大，實現多角度檢測。半球型攝像頭拍攝最遠距離為100~300米，拍攝角度為100~120°，基于拍攝距離和角度，根據交叉口的大小安裝數量在2~4個，適用于絕大部分的過街設施。因檢測器安裝在人行橫道上，加大了檢測區域，能有效避免盲區和便于劃定視頻檢測范圍。先進的數據采集技術能增強城市交通信息的即時收集和獲取能力，為弱勢交通參與者、機動車駕駛員以及城市交通系統提供及時、準確、動態的信息依據[18]。視頻檢測器拍攝范圍包括行人等候區、所轄人行橫道、部分的交叉口中心點附近區域和停車線后一段機動車道（具體長度根據實際交叉口大小和安裝視頻檢測器的數量而定）。安全區域范圍包括行人等候區、人行橫道。當弱勢交通參與者出安全區域范圍，系統中心控制系統則會進行判斷并根據不同階段違規行為進行警示。（3）信息傳遞系統。采用5G技術，5G技術具備傳播速度快、延遲低和性能好等優點[19]，同時具備高效率的分析信息和信息傳遞能力，有助于交通的智慧化進展。（4）地面警示系統。采用嵌入式發光標志道釘，設置在人行橫道標線上的兩端，稍凸出地面，產生障礙物作用力，使弱勢交通參與者與人行橫道邊界保持一定安全距離。道釘燈色為白色、紅閃。發光標志道釘中安裝有防眩裝置，避免對交通參與者產生眩光影響。禁止過街時，道釘不發光；允許過街時弱勢交通參與者獲得過街通行權，發光標志道釘為白色光，其燈光作用力為排斥力，提醒著行人和機動車人行橫道的位置及邊界；當弱勢交通參與者跨越超出人行橫道區域時，附近的道釘紅閃，燈光作用力由排斥力轉變為吸引力，誘導弱勢交通參與者回到人行橫道。（5）語音播報系統。語音播報系統安裝在行人等候區處的警示立柱上。過街前和過街途中若弱勢交通參與者未有違規行為，語音播報產生的聲音作用力為排斥力，警示弱勢交通參與者與安全區域邊界保持安全距離；若過街前和過街途中弱勢交通參與者有違規行為，聲音作用力由排斥力轉變為吸引力，誘導弱勢交通參與者回到安全區域。實時監測弱勢交通參與者數據，違規現象觸發語音播報，視情況播報：“您已闖紅燈，請退回等候區等候”；“綠燈亮了，請盡快過街；“您已出人行橫道安全區域，請回到安全區域”。（6）能源供應。由安裝在警示立柱上的太陽能電池板和配電箱組成，配電箱的輸入端可同時接市政供電系統和太陽能電池板，市政供電系統和太陽能電池板可同時為配電箱供電，配電箱對供電電壓進行處理后提供給整個系統所需的電壓。（7）視覺顯示系統。采用設置在警示立柱上的顯示屏，紅燈時期其產生的燈光作用力始終對弱勢交通參與者產生排斥力，警示弱勢交通參與者闖紅燈的行為；綠燈時期產生的燈光作用力為吸引力，誘導弱勢交通參與者過街。弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統過街流程圖如圖2所示。

5實施效果

弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統確保改進的社會力矢量模型更為有效、準確地模擬慢行交通過街動力學現象。系統實現24h工作機制，視頻檢測器的監控范圍包括整個交叉口及部分機動車道，監測范圍大、準確率高。若弱勢交通參與者抵達人行橫道，視頻檢測器對其過街進行全程監控，警示弱勢交通參與者闖紅燈行為，提醒綠燈亮起，警示出現在人行橫道安全區域外的弱勢交通參與者。

5.1技術效果

（1）視頻檢測器檢測范圍廣、準確率高和影響小。視頻檢測器能運用于城市道路大型交叉口和各類型路段。設備安裝在行人等候區，設備安裝維修對道路影響小，安裝維修過程不會影響車輛運行。（2）改進的社會力矢量模型實時考慮了弱勢交通參與者過街的情況，增加了燈光作用力和聲音作用力，以保障弱勢交通參與者安全。其中產生燈光作用力中的發光標志道釘作用尤為重要，是弱勢交通參與者安全過街的重要保障。道釘燈光同時提醒機動車前方正處于紅燈期間，需減速至停車以禮讓行人。

5.2社會效益

（1）提高弱勢交通參與者過街安全。本系統涉及慢行交通過街的整個過程，過街前和過街途中均有相應警示措施，極大地保護了弱勢交通參與者過街的安全性。（2）提高弱勢交通參與者過街效率。過街綠燈剛亮起時，利用語音播報器和顯示屏進行提醒，過街途中對于出人行橫道的弱勢交通參與者進行警告，以保障弱勢交通參與者自身安全和機動車運行效率。（3）提高機動車停車讓行意識。發光道釘的燈光開啟，夜間或不利天氣情況下，機動車可在遠處便注意到前方有人行橫道，提醒機動車提前準備減速讓行。本系統適用于各種慢行交通過街，涵蓋了信號和無信號的交叉口和路段。系統中各種設施的安裝，相比較于傳統過街設施建設成本增加，但對比系統建成后帶來的諸多優點，成本高的缺點可以忽略不計，為智慧交通的建設提供基礎數據。

6結論

弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統是智慧交通中不可缺少的部分。根據弱勢交通參與者過街特性改進社會力矢量模型，再按照社會力矢量模型中各個作用力構建弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統。弱勢交通參與者智慧過街安全警示系統以視頻檢測為核心，并警示違規的弱勢交通參與者。使用視頻檢測監控進入到過街區域的弱勢交通參與者，若弱勢交通參與者出現在安全區域外，紅燈時利用語音播報器和顯示屏分別產生燈光作用力和聲音作用力，警示闖紅燈并在綠燈亮起時提醒過街；綠燈期間發光標志道釘閃爍和語音播報器發出聲音警示，產生燈光作用力和聲音作用力且都為吸引力，從而提高弱勢交通參與者過街安全性、機動車的運行效率。因此，構建的智慧過街安全警示系統保障了弱勢交通參與者的過街安全性，尤其對過街途中弱勢交通參與者未能規范通行在人行橫道安全區域的危險行為進行警示并提醒其再次返回安全區域，對智慧交通的建設與管理具有現實意義。

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作者：杜勝品 黃輝 皮文浩 單位：武漢科技大學汽車與交通工程學院